Bức xạ UV là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa bức xạ UV

Bức xạ tử ngoại, hay bức xạ UV (ultraviolet radiation), là một thành phần của phổ bức xạ điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy nhưng dài hơn tia X, dao động từ 10 nm đến 400 nm. Do bước sóng ngắn, bức xạ UV mang năng lượng photon cao và có khả năng gây ra các phản ứng quang hóa, phá vỡ liên kết hóa học hoặc ion hóa các phân tử nhất định.

Trong tự nhiên, nguồn chính của bức xạ UV là mặt trời. Mặc dù một phần lớn bức xạ UV bị tầng ozon và bầu khí quyển hấp thụ, một phần đáng kể (đặc biệt là UVA và một phần UVB) vẫn có thể đến bề mặt Trái Đất. Ngoài ra, các nguồn nhân tạo như đèn thủy ngân, đèn hồ quang, đèn LED UV, và đèn plasma cũng tạo ra tia UV phục vụ mục đích nghiên cứu, y tế và công nghiệp.

Bức xạ UV không thể nhìn thấy bằng mắt người, nhưng có thể gây ảnh hưởng rõ rệt về sinh học và vật lý. Các ứng dụng UV bao gồm khử trùng, điều trị bệnh ngoài da, phân tích quang phổ và kiểm định vật liệu. Đồng thời, tia UV cũng tiềm ẩn nguy cơ đối với da, mắt và DNA nếu tiếp xúc không kiểm soát. Tham khảo: WHO – Ultraviolet Radiation.

Phân loại bức xạ UV

Dựa trên bước sóng và đặc điểm vật lý – sinh học, bức xạ UV được chia thành ba vùng chính là UVA (315–400 nm), UVB (280–315 nm) và UVC (100–280 nm). Mỗi vùng có mức năng lượng khác nhau và ảnh hưởng khác nhau đến sinh vật cũng như vật liệu.

• UVA: chiếm phần lớn (>95%) lượng tia UV mặt trời đến bề mặt trái đất, có khả năng xuyên qua lớp biểu bì và gây tổn thương sâu ở da như lão hóa, suy giảm collagen.
• UVB: chỉ khoảng 5% đến được mặt đất, bị tầng ozon hấp thụ phần lớn, có năng lượng cao hơn và tác động mạnh đến lớp biểu bì, gây cháy nắng, tổn thương DNA, nguy cơ ung thư da.
• UVC: có năng lượng cao nhất, bị tầng khí quyển hấp thụ hoàn toàn, không xuất hiện tự nhiên tại mặt đất nhưng được ứng dụng trong công nghiệp khử trùng do khả năng phá hủy vật chất di truyền.

Bên cạnh ba vùng chính trên, các chuyên ngành kỹ thuật còn chia nhỏ UV thành Vacuum UV (10–200 nm) – thường chỉ hoạt động trong chân không và được dùng trong quang phổ tử ngoại, lithography hay chế tạo vi mạch. Phân loại theo năng lượng cho thấy sự gia tăng nguy cơ sinh học tỷ lệ nghịch với bước sóng và tỷ lệ thuận với tần số.

Cơ chế tương tác của UV với vật chất

Bức xạ UV tương tác với vật chất chủ yếu thông qua hai cơ chế chính là kích thích điện tử và phá vỡ liên kết hóa học. Khi một photon UV va chạm vào một phân tử, nó có thể cung cấp năng lượng để electron chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Nếu năng lượng photon đủ lớn, nó có thể phá vỡ liên kết phân tử hoặc tạo ion, làm thay đổi cấu trúc vật lý và hóa học của vật chất đó.

Trong sinh học, UVB và UVC là nguyên nhân gây tổn thương DNA bằng cách tạo các liên kết bất thường giữa các base pyrimidine liền kề, thường gặp nhất là thymine dimers. Những liên kết này làm biến dạng chuỗi xoắn kép, cản trở quá trình sao chép và phiên mã, dẫn đến đột biến gen: $\text{UVB} + \text{DNA} \rightarrow \text{Thymine Dimers} \rightarrow \text{Đột biến}$

Các vật liệu như polymer, nhựa, cao su hoặc chất nhuộm cũng dễ bị phá hủy dưới tác động của UV. Cường độ và thời gian tiếp xúc quyết định mức độ lão hóa, đổi màu, mất tính chất cơ học. Do đó, nhiều vật liệu ngoài trời cần bổ sung chất hấp thụ UV hoặc chất ổn định để duy trì độ bền. UV còn ảnh hưởng tới hệ enzym, cấu trúc protein và độ trong suốt của vật liệu thủy tinh quang học.

Nguồn phát và đo lường UV

Nguồn UV tự nhiên chủ yếu là mặt trời, chiếm phần lớn bức xạ UVA, một phần UVB và hầu như không có UVC do đã bị tầng ozon hấp thụ. Tại cùng một địa điểm, cường độ UV thay đổi theo:

• Thời gian trong ngày: cao nhất từ 10h–14h
• Vĩ độ: gần xích đạo có mức UV cao hơn
• Độ cao: càng cao UV càng mạnh
• Độ che phủ mây và bụi khí quyển

Nguồn nhân tạo bao gồm:

• Đèn thủy ngân áp suất thấp (UVC ~254 nm) dùng trong tiệt trùng không khí và nước
• Đèn hồ quang xenon (UVA–UVB) dùng trong giả lập mặt trời
• Đèn LED UV (UVA/UVC) tiết kiệm năng lượng và điều khiển chính xác

Đo lường UV dùng cảm biến quang điện, máy đo UV đa dải, phổ kế UV hoặc thiết bị đo chỉ số UV. Đơn vị phổ biến gồm W/m² (irradiance), J/m² (dose) và UV Index (chỉ số cảnh báo sinh học). Chỉ số UV được định nghĩa bởi WHO như sau: $UVI = \frac{E_{eff}}{25\ \text{mW/m}^2}$ trong đó $E_{eff}$ là bức xạ hiệu dụng theo trọng số tác động sinh học.

Ảnh hưởng của UV đến sức khỏe con người

Bức xạ UV có tác động mạnh mẽ đến sinh học, đặc biệt là với làn da, mắt và hệ miễn dịch. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào loại tia UV, liều lượng, thời gian tiếp xúc và cơ địa từng cá nhân. UVA thâm nhập sâu vào lớp hạ bì, phá hủy collagen và elastin, dẫn đến lão hóa sớm, nám da và nếp nhăn. UVB tập trung năng lượng vào lớp biểu bì, gây viêm da cấp (cháy nắng), tổn thương DNA và tăng nguy cơ ung thư biểu mô.

Tiếp xúc UV quá mức, đặc biệt là ở trẻ em, có thể làm tăng nguy cơ mắc ung thư da sau này trong cuộc sống. Tổn thương DNA do UVB không được sửa chữa có thể dẫn đến các đột biến gen liên quan đến khối u ác tính, như đột biến ở gen p53. Ngoài ra, UV còn làm giảm mật độ tế bào Langerhans – thành phần quan trọng của miễn dịch da, từ đó làm suy yếu phản ứng miễn dịch cục bộ.

Ảnh hưởng lên mắt bao gồm viêm giác mạc (photokeratitis), đục thủy tinh thể và tổn thương võng mạc nếu tiếp xúc với tia UV cường độ cao. Tổ chức Y tế Thế giới khuyến cáo hạn chế tiếp xúc UV từ 10h–16h, sử dụng kính râm có khả năng lọc 99–100% UV, kem chống nắng SPF > 30, và quần áo bảo hộ để giảm rủi ro. Xem thêm tại American Cancer Society – Sun Safety.

Ứng dụng trong y học và công nghiệp

Bức xạ UV không chỉ là yếu tố nguy cơ mà còn có nhiều ứng dụng hữu ích khi được kiểm soát. Trong y học, UVB được sử dụng trong điều trị bệnh vẩy nến (psoriasis), viêm da cơ địa và bạch biến (vitiligo) thông qua phương pháp quang trị liệu liều thấp. UVC được ứng dụng để khử trùng thiết bị y tế, không khí và bề mặt trong môi trường bệnh viện.

Trong công nghiệp, UV đóng vai trò trong:

• Polymer hóa UV (UV curing): dùng trong in ấn, sơn phủ, keo dán với thời gian đóng rắn cực nhanh
• Xử lý nước: tia UVC phá hủy DNA của vi sinh vật, đảm bảo nước không chứa vi khuẩn, virus
• Phân tích vật liệu: sử dụng phổ UV để kiểm tra chất lượng sơn, nhựa, hoặc phân tích thành phần hóa học

Đèn UV công nghiệp cần tích hợp hệ thống che chắn, điều khiển liều lượng và ngắt khẩn cấp để đảm bảo an toàn vận hành. Ngoài ra, UV được ứng dụng trong kiểm tra an ninh (soi tiền giả), chế tạo vi mạch (photolithography) và nghiên cứu sinh học phân tử (UV spectroscopy).

Tác động của UV đến môi trường và sinh vật

Tầng ozon trong tầng bình lưu có vai trò then chốt trong việc hấp thụ bức xạ UVB và toàn bộ UVC, bảo vệ sinh quyển khỏi tác động sinh học nguy hiểm. Việc suy giảm tầng ozon – chủ yếu do hợp chất chlorofluorocarbon (CFC) và halon – dẫn đến tăng cường lượng UVB đến bề mặt Trái Đất, làm gia tăng rủi ro cho hệ sinh thái.

Ở cấp độ môi trường, UV ảnh hưởng mạnh đến:

• Thực vật: giảm khả năng quang hợp, biến đổi hình thái lá, giảm sinh trưởng
• Sinh vật biển: UVB làm giảm mật độ và chức năng của phiêu sinh vật (phytoplankton), làm gián đoạn chuỗi thức ăn đại dương
• Vật liệu ngoài trời: UV phá vỡ chuỗi polymer trong nhựa, cao su và sơn, làm mất độ bền, phai màu và lão hóa nhanh

Giám sát UV toàn cầu thông qua vệ tinh như TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) và OMI (Ozone Monitoring Instrument) cho phép theo dõi chỉ số UV, đánh giá tác động dài hạn đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Dữ liệu này giúp hỗ trợ chính sách bảo vệ tầng ozon và ứng phó biến đổi khí hậu.

Các công nghệ lọc và bảo vệ UV

Để phòng tránh tổn hại từ UV, nhiều công nghệ lọc và chống UV đã được phát triển, ứng dụng rộng rãi trong mỹ phẩm, thời trang, kiến trúc và vật liệu công nghiệp. Trong mỹ phẩm, kem chống nắng chứa các chất hấp thụ UV như avobenzone, oxybenzone hoặc chất phản xạ như titanium dioxide, zinc oxide giúp bảo vệ da khỏi cả UVA và UVB.

Trong vật liệu, các lớp phủ chống UV được sử dụng để tăng tuổi thọ cho nhựa, kính và vải ngoài trời. Kính lọc UV sử dụng lớp phủ nano oxit kim loại hoặc kính polycarbonate có tính chất hấp thụ tia UV hiệu quả. Ngoài ra, các loại màng phim dán kính ô tô và kính xây dựng cũng tích hợp tính năng cản UV lên đến 99%.

Bảng ứng dụng công nghệ lọc UV:

Lĩnh vực	Công nghệ bảo vệ	Mức lọc UV
Mỹ phẩm	Kem chống nắng SPF/PA+	UVA/UVB ~90–98%
Kiến trúc	Kính phủ oxit nano	UVB ~99%, UVA ~85%
Trang phục	Vải UPF 50+	~98% UV chặn

Hướng nghiên cứu và ứng dụng tương lai

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và yêu cầu về vệ sinh môi trường ngày càng cao, nghiên cứu về UV đang mở rộng sang các hướng tích hợp, thông minh và thân thiện sinh thái. Đèn UVC LED hiệu suất cao đang được thương mại hóa, với khả năng tùy biến bước sóng, tiêu thụ điện năng thấp và tích hợp vào hệ thống HVAC, tủ lạnh, và thiết bị gia dụng.

Nghiên cứu vật liệu hấp thụ UV thế hệ mới tập trung vào các phân tử hữu cơ không gây độc, phân hủy sinh học và có khả năng bảo vệ phổ rộng. Ngoài ra, tích hợp AI vào hệ thống khử khuẩn tự động giúp tối ưu hóa liều chiếu, thời gian hoạt động và cảnh báo an toàn theo thời gian thực. Điều này đặc biệt quan trọng trong bệnh viện, sân bay, và các khu vực có mật độ người cao.

Trong lĩnh vực sinh học, UV kết hợp với CRISPR hoặc đầu dò huỳnh quang đang mở ra các kỹ thuật xét nghiệm mới có độ nhạy cao, chi phí thấp, phục vụ chẩn đoán sớm bệnh truyền nhiễm và ung thư. Với tiềm năng ứng dụng rộng lớn, UV sẽ tiếp tục là đối tượng nghiên cứu liên ngành từ vật lý, hóa học đến y học và công nghệ môi trường.